南京市產業結構與用水結構互動耦合機制及關聯分析

陳 曉，李景保，王 飛，徐 志

(湖南師范大學資源與環境科學學院，中國 長沙 410081)

南京市產業結構與用水結構互動耦合機制及關聯分析

陳 曉，李景保，王 飛，徐 志*

(湖南師范大學資源與環境科學學院，中國 長沙 410081)

基于2005—2014年南京市產業結構和用水結構的相關統計數據，運用灰色關聯分析方法，構建產業結構與用水結構的關聯度和耦合度模型，研究南京市產業結構與用水結構的互動耦合機制及其關聯性，結果表明：南京市產業結構與用水結構關聯度在0.5以上，屬于中等關聯；產業結構對用水結構的關聯序為第三產業(0.566)、第一產業(0.563)、第二產業(0.557)，用水結構對產業結構的關聯序為生活用水(0.696)、農業用水(0.601)、工業用水(0.582)；南京市產業結構與用水結構耦合的空間差異明顯，主城區屬于協調型，江寧區與六合區屬于磨合型，浦口區、高淳區與溧水區屬于拮抗型；南京市產業結構與用水結構的耦合度在時間上顯示出階段性波動的特點，第一階段(2005—2007年)屬于磨合時期，第二階段(2008—2010年)從磨合轉向拮抗時期，第三階段(2011～2014年)逐漸向協調方向發展.

產業結構；用水結構；灰色關聯分析；耦合度；南京市

南京市位于江蘇省的西南部，是長三角地區的重要門戶城市，屬于亞熱帶季風氣候，降水量豐富，境內河湖密布，水資源總量豐富，2014年全市水資源總量達到30.76 億m3，但人均占有量只有374.39 m3，遠遠低于國際公認的人均水資源1 700 m3的警戒線[1].隨著南京市城市化及產業的快速發展，南京市對水資源的需求日益增長，對當地水資源的開發利用程度也越來越高，用水結構的合理與否成為影響經濟發展的重要方面.與此同時，產業結構合理與否對區域經濟發展具有舉足輕重的地位，產業結構的優化布局能促進資源能源等要素向各個產業合理流動，由此可見，探討產業結構與用水結構之間的互動耦合機制及其關聯程度顯得尤為重要.

目前國內學者已采用多種不同的方法對多個地區產業結構與用水結構之間的關系進行研究，如云逸[2]等以北京市為例建立成分數據回歸模型，證明用水結構變動與產業結構變動具有一致性；蔣桂芹[3]等以安徽省為例通過比較水資源生產率指標初步分析產業結構與用水結構之間的協調發展程度；吳麗[4]等以寧夏為例利用多目標優化模型，對產業結構與用水之間的協調進行研究，從而評價產業結構調整的合理性.相比而言，近年來對南京市水資源的研究則主要集中于水資源可持續利用和承載力等方面[5-6]，較少將其與產業結構聯系起來，因此本文擬采用灰色關聯度分析方法，在尋求產業結構與用水結構互動影響因素的基礎上，從時空尺度上定量分析南京市產業結構與用水結構的關聯程度及其變化，為合理配制水資源和優化調整產業結構提供理論依據.

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源及處理

鑒于統計數據的可獲取性，產業結構指標的原始數據來源于《南京市統計年鑒》(2006—2015)，部分市轄區的數據來自于各市轄區的統計公報，用水結構指標的原始數據均來自于《南京市水資源公報》(2005—2014)，依據數據的可得性和科學性以及南京市各市轄區空間分布范圍，將南京市11個市轄區分為6個區域，分別是主城區、江寧區、浦口區、六合區、高淳區以及溧水區.

1.2 指標體系構建

研究產業結構與用水結構兩大系統耦合關系的一個重要方面在于構建科學合理的指標體系，本文在遵循科學性、可操作性、可比性、獨立性等原則的基礎上，結合文獻研究成果[7-8]，同時依據南京市的實際情況，分別構建產業結構指標與用水結構指標體系(圖1).

圖1 產業結構與用水結構耦合系統指標體系Fig.1 Coupling system between industrial structure and water utilization structure

1.3 研究方法

由于產業結構與用水結構耦合作用的交錯性與復雜性，本文采用能較為全面分析兩系統多因素交互作用的灰色關聯度模型[9]：

(1)

表1 要素間關聯度與耦合度分級

在關聯度矩陣的基礎上分別按行或列求其平均值[11](式(2)、(3))，再根據所求得值的大小及其對應的值域范圍選取出產業結構對水資源利用最主要的影響因素，以及用水結構對產業結構調整最重要的制約因素：

(2)

(3)

2 結果分析

2.1 產業結構與用水結構互動影響機制

水資源是影響一個區域生態環境、經濟發展水平和產業結構變化的重要內在資源驅動力和制約因素，同時，產業結構的優化調整有利于提高用水效率，促進水資源持續利用.產業結構系統與用水結構系統之間存在著相互促進、相互制約的關系，兩者互動耦合作用主要表現在：一方面，產業結構的調整對用水結構產生巨大影響.由于各產業部門對水資源的消耗不盡相同，不同的產業發展模式會在很大程度上改變對水的需求，不合理的產業發展模式，其在發展過程中排放大量的廢水、廢氣等污染物不可避免地會污染水體，導致水資源質量下降，用水效益降低，既不利于產業結構的進一步調整，也不利于水資源的合理開發與利用；另一方面，用水結構的變化對調整產業結構有較大影響.隨著經濟規模的不斷擴大，用水需求隨之增大，繼而引起各產業部門用水結構發生變化，進一步影響產業結構的發展(圖2).

圖2 產業結構與用水結構耦合作用機制Fig.2 Coupling mechanism of industry structure and water utilization structure

為進一步揭示兩個系統之間交互耦合作用主要驅動力，將計算的關聯度結果(式2和式3)進行簡單的平均并排序，分別得到產業結構對用水結構產生影響的主要因素、用水結構對產業結構產生制約作用的主要因素，以及兩個系統之間的耦合關系.

2.1.1 產業結構影響用水結構的主要因素 利用南京市2005～2014年的數據，計算產業結構與用水結構的關聯系數，得到兩系統間的關聯度矩陣(表2)，從表中可以看出關聯度系數都在0.5以上，表明這10年間南京市產業結構與用水結構的關聯性較強，產業結構對用水結構關聯度最大的兩個指標分別是：二、三產業結構比例X7(0.739)和萬元生產總值能耗X8(0.741).二、三產業結構比例主要反映南京市產業結構高度化的發展程度，一般來說產業結構發展程度越高，各產業部門的用水效率就越高，從而使得南京市用水結構更趨合理.萬元生產總值能耗主要體現各產業部門的資源能源利用效率，萬元生產總值能耗低表明資源利用效率較高，即水資源的利用效率也較高，一定程度上能夠改善該城市的用水效益.第一產業增加值、第二產業增加值、第三產業增加值對用水結構的關聯序為：第三產業(0.566)、第一產業(0.563)、第二產業(0.557)，第三產業與用水結構關聯度最高.這是因為南京市近幾年來經濟發展迅速，第三產業尤其是服務業等發展迅猛，其增加值已占到56%以上，第三產業用水日益增多，水資源逐漸從高耗水行業向節水行業轉移，使用水結構更加合理，用水效率不斷提高.同時，第一產業與用水結構關聯度也較高，第一產業(主要指農業)一直是用水大戶.近些年來南京市農業用水效率逐年提高，但到2014年為止，農業萬元增加值用水量是工業萬元增加值用水量的37.97倍，農業用水量占南京市總用水量的38%以上，第一產業仍是水資源消耗大戶，其對用水結構的影響超過第二產業.

表2 南京市用水結構與產業結構關聯度矩陣

2.1.2 用水結構對產業結構發展的約束因素 由表2可知，用水結構對產業結構的關聯度都在0.5以上，用水結構對產業結構關聯度最大的指標是單位人口生活用水量Y4(0.696).在農業用水、工業用水和生活用水中，生活用水與產業結構關聯度最高，生活用水相對于工業用水來說，對水資源的污染程度較小，耗水量也較少，表明南京市用水結構漸趨合理，有利于促進產業結構進一步轉型升級.用水結構對產業結構關聯度較大的指標是：農業萬元增加值用水量Y1(0.601)和單位面積農田灌溉用水量Y2(0.622)，這兩個指標的關聯度都在0.6以上，表現出較強的關聯性，農業一直是用水大戶，農業的發展離不開水資源的供給，但是相對于工業和服務業來說，農業的生產效率比較低下，用水效率不高.

2.2 南京市產業結構與用水結構耦合度的空間差異

圖3 南京市產業結構與用水結構耦合類型空間分異(2014年)Fig.3 Spatial difference of coupling type of industrial structure and water utilization structure of Nanjing (2014)

為分析南京市產業結構與用水結構耦合度的空間分布特點，以2014年為參考年，根據耦合度大小并結合南京市各區經濟及產業結構發展狀況，大致將南京市6大區域劃分為協調、磨合和拮抗3種類型(圖3).值得說明的是，利用灰色關聯方法計算出的系統關聯耦合度只是相對的，并沒有絕對的分類標準，一般來說，系統關聯耦合度越小，表明兩系統之間的關聯性與制約性越弱，兩系統間越協調，實際上各區域之間的耦合關系并不穩定，可能會出現反復或是受到相鄰區域發展的影響，但這恰好說明了產業結構與用水結構之間的復雜性與動態性.具體分類步驟如下：首先對各區域的經濟發展狀況進行大致的劃分，同時依據南京市本身的特點和所選指標的情況，選取人均GDP、第二產業增加值占GDP的比重、第三產業增加值占GDP的比重三項指標來反映各區域的經濟發展狀況；其次利用SPSS 22.0中的Hierarchical Cluster方法對上述3項指標數據進行組間聚類，得到南京市各區域經濟發展分類結果，然后與耦合度劃分的結果進行疊加；最后進行合并與調整，得出最終的組合類型.

(1)協調型.主要是主城區，2014年產業結構與用水結構的耦合度為0.66，屬于協調型耦合區.主城區是南京市的經濟與金融中心，經濟總量巨大，2014年這一地區人均GDP超過13萬元，第三產業比重超過70%，合理的產業發展模式使得各產業用水也趨于協調和穩定.主城區農業用水量較低，水資源主要用于居民生活服務業以及環境保護，水資源利用效益和效率高.總體上主城區產業結構與用水結構在較高水平上趨于協調，其相互間的關系很弱，因此耦合度較小.

(2)磨合型.包括江寧區和六合區，2014年這2個地區產業結構與用水結構耦合度均為0.61，屬于磨合型耦合區.2014年江寧區二、三產業增加值占GDP的比重已超過95%，對外貿易和固定資產投資額較大，經濟發展效益較高，同時江寧區農業用水比重低，工業用水和生活用水比重大，水資源利用效益較高，但與主城區相比，萬元GDP排污量大，水資源保護投入方面也較小，用水結構不盡合理.六合區二、三產業增加值占GDP比重超過90%，與主城區相比，人均GDP、固定資產投資額以及出口貿易額較低，在整個南京市地區，六合區水資源總量最為豐富，工業用水和單位人口生活用水量大，但六合區作為南京市規劃的工業園區，萬元GDP排污量最大，水環境污染嚴重.總體上看這兩個區域的產業結構與用水結構還處于適應和磨合階段，耦合度也較小.

(3)拮抗型.包括浦口區、高淳區和溧水區，2014年這些區域的產業結構與用水結構的耦合度分別為0.74，0.72和0.70，屬于拮抗型耦合區.這3個區中，浦口區經濟發展速度最快，2014年浦口區二、三產業增加值占GDP的比重超過90%，但與主城區和江寧區相比，區域內人均GDP、固定資產投資額以及出口貿易額不高，萬元生產總值能耗較大，用水結構中工業用水比重大，單位人口生活用水和生態環境用水比重小，用水效益較低，區內污水處理設施較落后，水質污染嚴重.高淳區和溧水區是南京市重要的農業基地，第一產業占有一定比例，農業萬元增加值用水量和農田灌溉用水量較大，相比其他區域來說，工業用水比重不大，生活用水和生態用水比重較小，一般而言，農業較第二產業和第三產業發展緩慢，農業生產產值低，用水效率不高.因此這三個區域用水結構急需調整，而用水結構調整在很大程度上依賴于各產業部門用水量的調整與變化，尤其取決于產業結構的調整，產業結構的優化與升級會對用水結構產生直接的影響，二者之間的關聯性較高，使這些區域處于產業結構與用水結構相互作用的拮抗、限制階段，因此耦合度最大.

2.3 南京市產業結構與用水結構耦合的階段性分析

圖4 南京市用水結構與產業結構耦合度變化曲線(2005—2014年)Fig.4 Coupling-degree changing curve of industrial structure and water utilization structure of Nanjing (2005—2014)

圖4是2005—2014年南京市產業結構與用水結構耦合度變化曲線圖，近10年間，除2013年耦合度值略低外，其他年份都保持在0.5以上的耦合度，個別年份如2009年和2010年耦合度都達到0.7以上，表現出明顯的波動性，一方面表明產業結構與用水結構耦合作用關系密切，另一方面也說明在這10年間，隨著南京市經濟的不斷發展，產業結構與用水結構耦合的強度、協調程度等存在較明顯的差別，大致可將其劃分為三個階段：第一階段為2005—2007年，南京市產業結構與用水結構耦合度在0.52～0.61之間，兩系統耦合關系處于磨合階段.這一時期南京市經濟發展速度平穩，人均GDP增長率保持在10%左右，產業結構呈現出二、三、一的模式，萬元GDP排污量較大，水環境污染嚴重，生活用水及生態用水比重較小，用水結構不盡合理，總體上表現為產業結構與用水結構相互適應與磨合階段.第二階段為2008—2010年，產業結構與用水結構耦合度在0.65～0.77之間，總體趨勢表現為產業結構與用水結構耦合強度逐漸提高，產業結構與用水結構耦合由磨合轉向拮抗.受到2008年金融危機的影響，這一時期南京市人均GDP增長速度有所下降，固定資產投資額以及出口貿易額明顯降低，經濟發展顯現出較大的不穩定性，進而導致產業發展陷入低谷，工業用水與生活用水比重相對減小，用水結構處于低效用水階段，因而此階段產業結構與用水結構表現出較高的耦合度，兩系統處于拮抗階段.第三階段為2011—2014年，產業結構與用水結構逐漸轉向協調發展.經濟危機過后，南京市迎來了新的發展契機—成為2014年夏季青年奧運會的舉辦地，為了順利舉辦青奧會，南京市積極調整產業結構，改善用水結構，取得了明顯的成效：萬元生產總值能耗逐漸降低，產業結構呈現出三、二、一的模式，產業結構趨于合理；2014年工業用水重復利用率達到80%以上，工業萬元增加值用水、農業萬元增加值用水以及萬元GDP排污量逐年減少，水資源利用效率大大提高，這些變化反應出南京市產業結構與用水結構的關系逐漸從磨合向協調方向發展，由圖4的耦合度曲線也可看出其耦合度值逐漸變小.根據圖中曲線的走向，今后幾年耦合度值也有逐漸上升的可能，其耦合關系也有可能從協調再次轉向拮抗，因此今后也需要繼續關注兩者之間的耦合關系.

3 討論

為促進南京市產業結構與用水結構協調發展，需要在已有“三、二、一”產業結構布局的基礎上進一步調整用水結構：農業上采用噴灌、滴灌的方式，發展節水型農業；工業上不斷引進新技術與新方法，提高電力、化工等高耗水產業的用水效率；同時，進一步擴大第三產業用水比重，減少第一產業用水量，提高水資源的利用效益，最終實現產業結構與用水結構協調發展.

[1] 林俊宏.廈門市水資源可持續利用評價[J].水資源保護,2010,26(6):51-69.

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(編輯 HWJ)

Interactive Coupling Mechanism and Relationship Analysis Between Industrial Structure and Water Utilization Structure of Nanjing City

CHENXiao,LIJing-bao*,WANGFei,XUZhi

(College of Resource and Environmental Science, Hunan Normal University, Changsha 410081, China)

Based on the relevant statistical data of industrial structure and water utilization structure in Nanjing city from 2005 to 2014, incidence degree and coupling model were built with gray correlation analysis by studying interactive coupling mechanism and its correlation between industrial structure and water utilization structure. The results showed that coupling-degree indexes between industrial structure and water utilization structure were all higher than 0.5, which belonged to the medium correlation level. Tertiary industry (0.566) had a higher coupling-degree than primary industry (0.563) and secondary industry (0.557), and domestic water (0.696) had higher coupling-degree than agricultural water (0.601) and industrial water (0.582). There existed spatial difference in coupling between industrial structure and water utilization structure in Nanjing city. The main urban zone belonged to the coordination type, Jiangning and Liuhe districts belonged to the run-in type. Pukou, Gaochun and Lishui districts belonged to rivalry type. The correlation between industrial structure and water utilization structure of Nanjing city demonstrated seasonal volatility by time sequence which can be divided into following three phases. Phase 1 (2005—2007) belonged to run-in type. Phase 2 (2008—2010) turned from run-in type to rivalry type and phase 3 (2011—2014) turned into coordination gradually.

industrial structure; water utilization structure; gray relational analysis; coupling-degree; Nanjing city

10.7612/j.issn.1000-2537.2017.04.002

2016-09-09

國家自然科學基金項目(41571100)；湖南省重點學科地理學建設項目

TV213

A

1000-2537(2017)04-0008-06

*通訊作者,E-mail：lijingbao1951@126.com